DE10019660A1 - Verfahren zum Verspinnen einer Spinnlösung und Spinnkopf - Google Patents
Verfahren zum Verspinnen einer Spinnlösung und SpinnkopfInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Spinnkopf (8) zum Verspinnen einer Spinnlösung, der eine rohrartige, dünnwandige Spinnkapillare (7) mit einer Austrittsöffnung (94) aufweist. Als Spinnlösung dient beispielsweise eine Mischung aus Cellulose, tertiärem Aminoxid und Wasser. Um die Fibrillierungsneigung der durch den Spinnkopf versponnenen Fasern zu senken und die Schlingenfestigkeit zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Spinnkapillare (7) nahe des Austrittsquerschnittes (94) direkt beheizt wird. Durch diese einfache Maßnahme kann die Fibrillierungsneigung verringert und die Schlingenfestigkeit erhöht werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verspinnen einer Spinnlösung bestehend aus
tertiärem Aminoxid, Wasser und Cellulose, bei dem die Spinnlösung aus einem Spinnlö
sungsvorratsbehälter kontinuierlich oder diskontinuierlich einem Spinnkopf zugeführt
und im Spinnkopf durch mindestens eine Spinnkapillare geleitet wird, die an ihrem
stromab gelegenen Ende mit einer Spinnlösungsaustrittsöffnung versehen ist und aus
der die Spinnlösung aus dem Spinnkopf austritt.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Spinnkopf zum Verspinnen einer durch den
Spinnkopf strömenden Spinnlösung mit tertiärem Aminoxid, mit mindestens einer Spinn
kapillare, die ein an ihrem stromab gelegenen Ende eine Spinnlösungsaustrittsöffnung
aufweist, wobei die Spinnlösung durch die Spinnlösungsaustrittsöffnung aus dem
Spinnkopf geleitet ist, und mit einer Heizvorrichtung, die auf die Spinnlösung einwirkt.
Dabei ist unter mindestens einer Spinnkapillare der letzte Abschnitt des Spinnkopfes zu
verstehen, durch den die Spinnlösung strömt und der die Spinnlösungsaustrittsöffnung
ausbildet. Durch die Spinnkapillare wird der versponnene Faden gebildet.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der
WO 99/47733 bekannt. Dort ist ein Spinnkopf beschrieben, der eine Vorkapillare (in der
Druckschrift als Kapillare bezeichnet) und eine sich in Strömungsrichtung der Spinnlö
sung an die Vorkapillare anschließende Spinnkapillare (in der Druckschrift als Mündung
bezeichnet) aufweist. Die Vorkapillare und die Spinnkapillare sind aus einem zweiteili
gen Metallblock gefertigt. Der Durchmesser der Vorkapillare beträgt dabei das 1,2- bis
2,5-fache des Durchmessers der Spinnkapillare.
Im Bereich der Vorkapillare sind im Spinnkopf der WO 99/47733 Öffnungen vorgesehen,
die zur Aufnahme einer Heizvorrichtung dienen. Durch die Heizvorrichtung wird der
Metallblock des Spinnkopfes im Bereich der Vorkapillare aufgeheizt.
Der Spinnblock der WO 99/47733 ist von einer Gaskammer umgeben, in der ein be
heiztes Gas enthalten ist, das im Wesentlichen parallel zu der aus der Spinnlösungs
austrittsöffnung austretenden Spinnlösung aus dem Spinnkopf strömt und die Spinnlö
sung beim Austritt umhüllt.
Die Betriebstemperatur des Spinnkopfes im Bereich der Vorkapillare und der Spinnka
pillare beträgt zwischen 70°C und 140°C. Die Temperatur des ausströmenden Gases
beträgt, vorzugsweise 70°C, sie liegt also unter der Temperatur des Spinnkopfes.
Der Nachteil des Spinnkopfs nach WO 99/47733 besteht darin, dass durch die Kon
struktion des darin beschriebenen Spinnkopfs sich nur geringe Lochdichten realisieren
lassen. Ein zusätzlicher Nachteil besteht darin, dass eine Einflussnahme auf die Tempe
ratur nur im Bereich der Vorkapillare möglich ist. Bedingt durch die hohen Cellulosekon
zentrationen beim Verspinnen von NMMO/Wasser/Celluloselösungen und der starken
Strukturviskosität ist eine Einflussnahme auf die Spinntemperatur erforderlich. Außer
dem muss auf eine gute Gleichmäßigkeit der Temperaturführung geachtet werden, was
bei der in der WO 99/47733 beschriebenen Spinndüse bzw. bei dem Heizsystem nicht
der Fall ist.
Angesichts der WO 99/47733 stellt sich also die Aufgabe, die gattungsgemäßen Spinn
köpfe so zu verbessern, dass die versponnenen Fasern eine geringere Fibrillierungsnei
gung und eine hohe Schlingenfestigkeit aufweisen.
Die Fibrillierungsneigung wird durch einen sogenannten "Schütteltest" bestimmt. Der
Schütteltest ist in der Zeitschrift "Chemiefaser Textilindustrie" 43/95 (1993), S. 879 ff.
und in der WO 96/07779 beschrieben.
Die Fasern werden dabei in normierter Länge in Wasser unter Anwesenheit von Glas
perlen über einen bestimmten Zeitraum geschüttelt. Der Fibrillierungsgrad der Faser
wird durch Betrachtung unter dem Mikroskop festgelegt: Wird unter dem Mikroskop eine
große Menge abgespaltener Fibrillen festgestellt, so gibt das einen hohen und damit
schlechten Fibrillierungswert.
Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Wand der Spinnkapillare nahe der Spinnlösungsaustrittsöffnung zumin
dest abschnittsweise auf eine Temperatur beheizt wird, die größer als die Kerntempe
ratur der Spinnlösung in der Spinnkapillare ist.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die Einflussnahme auf das
Temperaturprofil der Lösung während der Extrusion durch die Spinnkapillaren sich be
dingt durch das günstig ausgestaltete Fließverhalten eine weitgehendst fibrillierungsfreie
Cellulosefaser mit guten Faserkennwerten wie z. B. guten Schlingenfestigkeiten herstel
len lässt.
Für den eingangs genannten Spinnkopf wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass im Betrieb des Spinnkopfes die Wandtemperatur der Spinnkapillare in ei
nem Bereich nahe der Spinnlösungsaustrittsöffnung größer ist als die Kerntemperatur
der Spinnlösung.
Durch diese einfache Maßnahme können cellulosische Fasern mit einer geringeren
Fibrillierungsneigung und einer höheren Schlingenfestigkeit als im Stand der Technik
hergestellt werden.
Beim Spinnkopf aus dem nächstliegenden Stand der Technik, der WO 99/47733, wird
zwar das Vorkapillar beheizt, aber nicht die Spinnkapillare, die sich bis zur Spinnlö
sungsaustrittsöffnung erstreckt. Die Vorkapillare weist einen größeren Durchmesser auf
als die Kapillare. Durch den Querschnittssprung von der Vorkapillare zur Kapillare wird
die in der Vorkapillare aufgebaute Temperaturverteilung in der Spinnlösung gestört, so
dass sich über die geringe Länge der Kapillare eine für das Verspinnen der Spinnlösung
günstige Temperaturverteilung nicht mehr aufbauen kann.
Außerdem ist es bei der Vorrichtung der WO 99/47733 nicht möglich, die Kapillarwand
auf eine Temperatur aufzuheizen, die größer als die Kerntemperatur der Spinnlösung
ist. Aufgrund der großen Lauflänge der Vorkapillare und der geringen Strömungsge
schwindigkeit der Spinnlösung in der Vorkapillare heizt sich die Spinnlösung in der Vor
kapillare auf die Temperatur der Vorkapillarwand auf. Aus zwei Gründen ist die Wand
temperatur der Kapillare bei der WO 99/47733 geringer als die Temperatur der Spinnlö
sung:
Zum einen strömt beim Spinnkopf der WO 99/47733 das Gas aus der Gaskammer durch den Ringspalt entlang der Außenwand der Kapillare. Die Temperatur dieses Ga ses liegt unterhalb der Temperatur der Spinnlösung. Somit wird bei der Vorrichtung der WO 99/47733 der Bereich der Kapillare nahe der Austrittsöffnung durch das Gas tat sächlich unter die Kerntemperatur der Spinnlösung gekühlt.
Zum einen strömt beim Spinnkopf der WO 99/47733 das Gas aus der Gaskammer durch den Ringspalt entlang der Außenwand der Kapillare. Die Temperatur dieses Ga ses liegt unterhalb der Temperatur der Spinnlösung. Somit wird bei der Vorrichtung der WO 99/47733 der Bereich der Kapillare nahe der Austrittsöffnung durch das Gas tat sächlich unter die Kerntemperatur der Spinnlösung gekühlt.
Zum anderen wird durch die Heizvorrichtung beim Spinnkopf der WO 99/47733 die
Wand der Kapillare nahe der Austrittsöffnung nur indirekt beheizt: Die Heizvorrichtung
ist nahe der Vorkapillare angeordnet und wirkt in erster Linie nur auf die Vorkapillare ein.
Die stromab gelegene Kapillare wird nur indirekt über die Erwärmung des Kapillarblocks
aufgeheizt. Die Wandtemperatur der Kapillare nahe der Austrittsöffnung ist somit beim
Spinnkopf der WO 99/347733 stets kleiner als die Temperatur des Vorkapillars.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Wand der Spinn
kapillare durch eine Heizvorrichtung direkt beheizt werden. Bei einer direkten Beheizung
wirkt die Heizvorrichtung direkt auf die Spinnkapillarwand ein. Dies ist bei einem her
kömmlichen Spinnkopf wie dem der WO 99/47733 nicht der Fall. Dort wird die Wand der
Spinnkapillare indirekt über die große Masse des Spinnblockes beheizt. Eine direkte
Beheizung der Spinnkapillarwand hat dem gegenüber den Vorteil, dass die Temperatur
der Wand genauer und mit einem schnelleren Ansprechverhalten gesteuert werden
kann, da keine großen trägen Massen vorhanden sind, die nur langsam auf Tempera
turänderungen reagieren können.
Zur genauen Einstellung der Wandtemperatur der Spinnkapillare und zur exakten Pro
zeßführung kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine Temperatursteuer
einrichtung vorgesehen sein, durch welche die Wandtemperatur der Spinnkapillare auf
einen einstellbaren Wert geregelt wird. Durch eine derartige Temperatursteuereinrich
tung ist es möglich, die Wandtemperatur automatisch an Änderungen im Spinnprozess,
beispielsweise an unterschiedliche Spinnlösungen oder Spinnkopfgeometrien, anzupas
sen.
Die Wandtemperatur der Spinnkapillare kann in einer Ausgestaltung in Abhängigkeit
vom Massendurchsatz der Spinnlösung durch die Spinnkapillare geregelt werden. Durch
den Massendurchsatz erhöht sich der Wärmetransport von der Kapillarwand, sodass die
Beheizung der Kapillarwand entsprechend angepasst werden muss. Hierbei ist es von
Vorteil, wenn durch die Regelung der Wandtemperatur Schwankungen im Massen
durchsatz durch die Spinnkapillare ausgeglichen werden können.
Auch kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Wandtemperatur der Spinn
kapillare in Abhängigkeit vom Spinndruck in der Spinnlösung, vorzugsweise vom Spinn
druck der Spinnlösung in der Kapillare, geregelt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit
und damit der Wärmetransport in der Spinnlösung hängt auch vom Spinndruck und da
mit der Strömungsgeschwindigkeit in der Spinnlösung ab: Mit steigendem Spinndruck
erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit der Spinnlösung durch die Spinnkapillare.
Auch hier ist es von Vorteil, wenn durch die Regelung der Wandtemperatur der Spinn
kapillare Schwankungen im Spinndruck ausgeglichen werden.
Die Fibrillierungsneigung läßt sich insbesondere dann verringern, wenn in einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung die Beheizung der Spinnkapillarwand im Betrieb ein vorbe
stimmtes Temperaturprofil über den Strömungsquerschnitt der Spinnkapillare erzeugt.
Durch dieses Temperaturprofil wird aufgrund der temperaturabhängigen Viskosität der
Spinnlösung, das Geschwindigkeitsprofil der Spinnlösung in der Spinnkapillare gezielt
beeinflusst. Insbesondere durch eine starke Beheizung der Kapillarwand ist es möglich,
die Viskosität der Spinnlösung im Wandbereich wesentlich zu verringern. Die Beheizung
führt zu einer verringerten Wandreibung in der Spinnlösung und zu einem volleren
Strömungsprofil in der Kapillare: Die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über den
Strömungsquerschnitt weist nicht mehr das stark gekrümmte Profil einer Rohrströmung
auf, sondern besitzt ein breites Maximum, dass sich nahezu konstant bis zu der Wand
der Spinnkapillare hin erstreckt. Somit lässt sich die Fibrillierungsneigung durch die Be
einflussung des Strömungsprofils über die Wandtemperatur verbessern.
Dieser Effekt der Wandtemperatur auf das Strömungsprofil der Spinnlösung in der
Spinnkapillare lässt sich in einer vorteilhaften Ausgestaltung nochmals erhöhen, wenn
auch in Strömungsrichtung der Spinnlösung die Beheizung der Spinnkapillarwand im
Betrieb ein vorbestimmtes Temperaturprofil der Spinnkapillarwand eingestellt werden
kann. Bei dieser Ausgestaltung wird durch eine gezielte Veränderung der Temperatur
verteilung in Strömungsrichtung das Geschwindigkeitsprofil in der Spinnkapillare beein
flusst. Die Ausbildung eines Rohrströmungsprofils wird zuverlässig vermieden und das
Strömungsprofil kann durch Anpassung der Temperaturverteilung in Strömungsrichtung
nochmals optimiert werden.
Hierzu können in Strömungsrichtung mehrere unabhängig arbeitende Heizvorrichtungen
an der Spinnkapillare vorgesehen sein.
Eine besonders gleichmäßige Aufheizung der Spinnkapillarwand kann erreicht werden,
wenn die Wand der Spinnkapillare außen von einem beheizten Heizfluid umspült wird.
Im Gegensatz zu einer Elektroheizung - wie sie beispielsweise in der WO 99/47733 be
schrieben ist - ergeben sich bei einer Fluidheizung keine abrupten Änderungen in der
räumlichen Temperaturverteilung. Außerdem kann lokal eine Überheizung vermieden
werden. Die Temperatur des Heizfluids beträgt mindestens 100°C, vorzugsweise um
150°C. Die Temperatur des Heizfluids kann vorteilhaft auch zwischen 50°C, 80°C oder
100°C und 150°C oder 180°C betragen. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindig
keiten in der Endkapillare des Spinnkopfes kann die Wandtemperatur der Spinnkapillare
sogar größer als die Zersetzungstemperatur der Spinnlösung sein. Die Verweildauer der
Spinnlösung in der Spinnkapillare reicht nicht aus, um die Spinnlösung auf Zerset
zungstemperatur zu bringen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann zumindest ein Temperatursensor zur Erfassung
der Kapillarwandtemperatur und/oder der Spinnlösungstemperatur im Kapillarwandbe
reich vorgesehen sein. Durch den Temperatursensor ist ein elektrisches Signal ausgeb
bar, das repräsentativ für die Kapillarwandtemperatur ist. Mit Hilfe eines solchen Sen
sors läßt sich die Temperatur der Kapillarwand jederzeit direkt oder indirekt bestimmen.
Das Signal kann einer Steuerungsvorrichtung zugeführt werden, durch welche die
Wandtemperatur regelbar ist. Dazu verändert die Temperatursteuerungsvorrichtung die
Temperatur des Heizfluids entsprechend.
Bei Verwendung eines Heizfluids kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zu
mindest ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Heizfluids vorgesehen
sein, durch den die Temperatur des Heizfluids in Form eines elektrischen Signals an die
Steuervorrichtung ausgebbar ist. Bei dieser Ausgestaltung kann die Wandtemperatur
der Spinnkapillare über die Erfassung der Heizfluidtemperatur bestimmt und gesteuert
werden.
Für den Spinnkopf kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn sich der durch die Heiz
vorrichtung beheizte Bereich der Spinnkapillarwand, dessen Temperatur höher als die
Kerntemperatur der Spinnlösung ist, im Wesentlichen bis an die Spinnlösungsaustritts
öffnung erstreckt. Die Spinnlösungsaustrittsöffnung ist eine besonders kritische Stelle,
an der eine hohe Wandtemperatur besonders positive Auswirkungen auf die Fibrillie
rungsneigung aufweist. Insbesondere hat sich gezeigt, dass bei Beheizung der Aus
trittsöffnung die Strahlaufweitung unmittelbar nach dem Austritt der Spinnlösung aus der
Austrittsöffnung, die sogenannte Strangaufweitung, unterdrückt werden kann. Dies führt
zu einer verbesserten Oberflächenstruktur der versponnenen Fasern und somit zu einer
nochmals erhöhten Schlingenfestigkeit bzw. einer verringerten Fibrillierungsneigung.
Dabei kann sich in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der durch die Heizvor
richtung beheizte Bereich der Spinnkapillarwand, dessen Temperatur höher als die
Kerntemperatur der Spinnlösung ist, im Wesentlichen über die gesamte Länge der
Spinnkapillare erstrecken. Bei dieser Ausgestaltung ist eine vollständige Beheizung der
Spinnkapillare möglich, was aufgrund der verringerten Viskosität der Spinnlösung in
Wandnähe und aufgrund der Lauflänge in der Spinnkapillare zur vollständigen Ausbil
dung eines vollen Geschwindigkeitsprofils über den Querschnitt der Spinnkapillare führt.
Um die Wandtemperatur und damit die Temperatur der wandnahen Spinnlösung schnell
und gezielt steuern zu können, sollte die Temperatur der Spinnkapillarwand durch die
Heizvorrichtung schnell einstellbar sein und schnell auf Temperaturänderungen reagie
ren. Dies kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht wer
den, dass die Spinnkapillare als Spinnkapillarrohr in Form einer im Wesentlichen dünn
wandigen Röhre ausgebildet ist und dass die Heizvorrichtung direkt auf den Wandbe
reich der Spinnkapillarröhre nahe der Spinnlösungsaustrittsöffnung einwirkt. Durch die
dünnwandige Ausgestaltung der Spinnkapillare reagiert die Wandtemperatur schnell bei
einer Änderung der Temperatur der Heizvorrichtung, da kaum träge Masse vorhanden
ist. Durch die direkte Einwirkung der Heizvorrichtung auf die dünnwandige Spinnkapilla
re ist ein zudem schnelles Ansprechverhalten sichergestellt. Die Wandstärke der Spinn
kapillarröhre beträgt vorteilhaft weniger als 200 µm, vorzugsweise weniger als 150 µm.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Spinnlösungsaustrittsöffnung der Spinnkapil
larröhre zumindest abschnittsweise von einer Spaltöffnung umgeben sein, aus der im
Betrieb ein Transportfluid im Wesentlichen in Richtung der aus der Spinnlösungsaus
trittsöffnung austretenden Spinnlösung strömt. Das Transportfluid umhüllt den aus der
Austrittsöffnung der Spinnkapillare austretenden Spinnlösungsstrahl und führt zu einem
verringerten Geschwindigkeitssprung an der Mantelfläche des Strahls. Dadurch wird der
Strahl stabilisiert und die Strömung an der Mantelfläche beruhigt. Dabei kann die Ge
schwindigkeit des im Betrieb aus der Spaltöffnung austretenden Transportfluids im We
sentlichen der Geschwindigkeit der aus der Spinnlösungsaustrittsöffnung austretenden
Spinnlösung entsprechen.
In einer Ausgestaltung des Spinnkopfes kann die Spinnkapillarröhre nahe der Spinnlö
sungsaustrittsöffnung von einer mit Heizfluid gefüllten Heizkammer umgeben sein. Be
sonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Heizkammer mit der Spaltöffnung verbunden
ist. Damit kann das Heizfluid durch die Spaltöffnung über den Bereich der Spinnkapil
larwand streichen, der sich in der Nähe des Austrittsquerschnittes befindet. Damit kann
die Spinnkapillarwand bis zum Austrittsquerschnitt beheizt werden.
Wenn dabei das Heizfluid mit einer entsprechenden Geschwindigkeit aus der Spaltöff
nung austritt, so kann es gleichzeitig als Transportfluid dienen. Dadurch erübrigt es sich,
ein separates Transportfluid zur Stabilisierung des Spinnlösungsstrahls vorzusehen.
Zur Ausbildung eines stabilen und vollen Strömungsprofils ist eine möglichst große
Lauflänge in der Spinnkapillare notwendig. Daher sollte das Verhältnis der Länge der
Spinnkapillare zu ihrem Durchmesser möglichst groß sein. In einer vorteilhaften Aus
gestaltung der Spinnkapillare kann die Länge der Spinnkapillare mindestens das 20-
fache bis 150-fache ihres Durchmessers betragen. Dabei kann die in dieses Verhältnis
einfließende Länge die von der Spinnlösung durchströmte Länge und/oder der Durch
messer der Innendurchmesser der Spinnkapillare sein.
Der Strömungsquerschnitt des Spaltes, durch den das Fluid parallel zur Spinnlösung
austritt, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung durch ein verstellbares Ge
häuse, beispielsweise verstellbare Backen, veränderlich sein. Dadurch kann die Ge
schwindigkeit des aus dem Spalt austretenden Fluids je nach Spinnvorgang und Spinn
strahlgeschwindigkeit und -dicke verändert werden.
Die Spinnkapillare kann auch dadurch direkt beheizt werde, dass sie mit einem elektri
schen Heizelement umgeben ist.
Die Spinnkapillare kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung als ein Präzisi
onstahlrohr ausgebildet sein. Sie kann auch eine kreisförmigen Austrittsöffnung aufwei
sen. Der Durchmesser der Austrittsöffnung kann weniger als 500 µm, vorzugsweise we
niger als 250 µm betragen. Für besondere Anwendungen, beispielsweise dem Verspin
nen von Spinnmasse zu Lyocell-Fasern, kann der Durchmesser auch kleiner als 100 µm
bis 75 µm sein.
Der Spinnkopf kann in eine Spinnanlage mit einem Druckausgleichsbehälter, der eine
Spinnlösung mit tertiärem Aminoxid enthält, mit einem Spinnkopf, durch den aus der
Spinnlösung ein Spinnfilament gebildet ist, und mit einer Spinnlösungsleitung, durch
welche die Spinnlösung zu einem Spinnkopf geleitet ist, eingebaut sein. Diese Spinn
anlage führt dann das erfindungsgemäße Verfahren aus.
Die Erfindung betrifft auch das durch das erfindungsgemäße Verfahren durch den erfin
dungsgemäßen Spinnkopf oder die erfindungsgemäße Spinnanlage hergestellte Pro
dukt, das sich durch die verbesserte Schlingenfestigkeit und die geringere Fibrillierungs
neigung auszeichnet und in Form eines Filaments, einer Stapelfaser, eines Spinnvlieses
oder einer Folie vorliegen kann.
Im Folgenden werden der Aufbau und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen
Verfahrens und des erfindungsgemäßen Spinnkopfes anhand von Ausführungsbeispie
len erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Spinnanlage;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spinnkopfes im Quer
schnitt;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spinnkopfes im
Querschnitt;
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spinnkopfes im Quer
schnitt;
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spinnkopfes im
Querschnitt.
Eine Spinnanlage 1, durch die das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, ist in
Fig. 1 schematisch dargestellt.
In einem Spinnlösungsvorratsbehälter oder Reaktor 2 ist eine hochviskose Spinnlösung
3 mit einem tertiären Aminoxid, beispielsweise eine Lösung aus Cellulose, Wasser und
N-methylmorpholin-N-oxid (NMMO), enthalten.
Die Spinnlösung wird mit einer Pumpe 4 aus dem Spinnlösungsvorratsbehälter 2 durch
eine Spinnlösungsleitung 4' und einen Druckausgleichsbehälter 5 an einen Verteiler
block 6 gefördert. Mit dem Verteilerblock 6 ist eine Vielzahl von Spinnkapillaren 7 ver
bunden. Der Verteilerblock 6 und die Spinnkapillare 7 sind Teil eines Spinnkopfs 8.
Der Druckausgleichsbehälter dient dazu, eventuelle Druck- und/oder Volumenstrom
schwankungen in der Spinnlösungsleitung 4' auszugleichen und eine gleichmäßige Be
schickung des Spinnkopfes 8 mit Spinnlösung zu gewährleisten.
Aus dem Spinnkopf 8 treten jeweils mit hoher Geschwindigkeit hochviskose Spinnlö
sungstrahlen 9 aus. Diese Spinnlösungsstrahlen 9 strömen nach dem Austritt aus dem
Spinnkopf 8 durch einen Luftspalt 10 oder ein nichtfällendes Mittel. In diesem Schritt
wird die Spinnlösung beschleunigt und dadurch verstreckt.
Danach tauchen die Spinnlösungsstrahlen in ein Fällbad 11 oder in ein Bad aus einem
Nichtlösungsmittel oder einer wässrigen Aminoxidlösung ein. Aus dem Fällbad 11 wird
die Spinnlösung in Faserform mittels einer Abziehvorrichtung 12 abgezogen.
Im Folgenden wird anhand der Fig. 2 der Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Spinnkopfes 8 beschrieben.
Der Spinnkopf 8 ist an einem Gestell 50 befestigt und durch eine Schicht 52 wärmeiso
lierenden Materials isoliert, sodass keine Wärmeverluste auftreten, wenn der Spinnkopf
beheizt wird.
Der Spinnkopf 8 ist modular aus dem Verteilerblock 6, einer im Wesentlichen scheiben-
oder plattenförmigen Druckverteilungsplatte 54, einem im Wesentlichen scheiben- oder
plattenförmigen Spinndüsenkörper 56 mit einem Verteilerraum 56a, mindestens einer
Spinnkapillare 7 und einer Haltevorrichtung 60 aufgebaut.
Die Druckverteilungsplatte 54 des Spinndüsenkörpers 56 wird durch die Haltevorrich
tung 60 am Verteilerblock 6 in Richtung einer Mittenachse M des Spinnkopfes gehalten.
Dazu bildet die Haltevorrichtung 60 eine ring- oder schlitzförmige Ausnehmung aus, in
der die Druckverteilerplatte 54 und die Düsenhalterung 56 aufgenommen sind. An dem
einen Ende der ringförmigen Ausnehmung ist eine Schulter 60a ausgebildet, die in eine
entsprechende Ausnehmung 60b des Spinndüsenkörpers 56 greift.
Der Spinndüsenkörper 56 liegt mit einer seiner Stirnflächen im Wesentlichen vollflächig
auf der Druckverteilerplatte 54 auf. In der Stirnfläche des Düsenkörpers 56 ist ein Dich
tungselement 62 angebracht, sodass zwischen der Druckverteilungsplatte 54 und des
Spinndüsenkörpers 56 keine Spinnlösung entweichen kann.
Die Druckverteilerplatte 54 liegt mit ihrer des Spinndüsenkörpers 56 abgewandten Stirn
fläche im Wesentlichen vollflächig am Verteilerblock 6 an. Auch in dieser Fläche ist ein
Dichtelement 62 angebracht, so dass auch zwischen dem Verteilerblock 6 und der
Druckverteilerplatte keine Spinnlösung entweichen kann.
Durch eine in die Haltevorrichtung 60 eingreifende Verschraubung 64 wird die Haltevor
richtung 60 in Richtung des Verteilerblockes 6 gezogen. Dadurch übt die Schulter 60a
der Haltevorrichtung 60 einen Druck auf die entsprechende Ausnehmung 60b des Dü
senkörpers 56 aus. Der Düsenkörper 56 überträgt diesen Druck über die Druckvertei
lungsplatte 54 zurück an den Verteilerblock 6. Auf diese Weise werden der Düsenkörper
54 und die Düsenhalterung 56 fest und dicht am Verteilerblock 6 gehalten und sind
gleichzeitig zu Wartungszwecken oder zum Austausch gegen andere Geometrien durch
Lösen der Verschraubung 64 leicht austauschbar.
Die Spinnkapillare 7 ist am Spinndüsenkörper 56 befestigt. Die Spinnkapillare ist in
Form eines Rohres mit einem kreisringförmigen Querschnitt und einem Innendurchmes
ser von weniger als 500 µm ausgeführt.
Der Innendurchmesser der Spinnkapillare 7 ist über die gesamte Länge der Spinnkapil
lare konstant.
Als Rohre für die Spinnkapillare 7 werden Präzisionsstahlrohre aus der Medizintechnik
verwendet, deren Innendurchmesser weniger als 500 µm teilweise auch weniger als 250 µm
beträgt. Speziell für Lyocell-Fasern können auch Innendurchmesser von weniger als
100 µm bis weniger als 50 µm vorgesehen sein.
Die Spinnkapillare 7 ist dünnwandig ausgebildet und weist eine Wandstärke von höchs
tens 200 µm auf. Bei der Spinnkapillare beträgt die Länge mindestens das 20-fache,
vorzugsweise mindestens das 150-fache des Innendurchmessers. Versuche haben hier
ergeben, dass mit steigendem Längen-Innendurchmesserverhältnis der Spinnkapillare
die Fibrillierungsneigung des Fasern sinkt.
Üblicherweise ist am Spinnkopf 8 eine Vielzahl von Spinnkapillaren 7 nebeneinander
oder in mehreren Reihen versetzt zueinander angeordnet. Wie dies in Fig. 1 dargestellt
ist, können mehrere wie vorher beschriebene Spinnköpfe in beliebiger Anordnung zu
einer wirtschaftlichen Produktionseinheit angeordnet werden. Jeder Düsenkörper 56
beinhaltet mehrere Spinnkapillaren 7 ein- oder mehrreihig, gestreckt oder ringförmig
angeordnet.
Zur gleichmäßigen Anströmung der Kapillaren 7 ist der Verteilerraum 56a als V-Nut in
gestreckter oder ringförmiger, als Einzelnut oder mehrreihige V-Nut ausgeführt. Über
dem als V-Nut ausgeführten Verteilerraum 56a befindet sich die Druckverteilungsplatte
54.
Die Spinnkapillare 7 ist von einem inneren Gehäuse 66 und einem äußeren Gehäuse 68
umgeben.
Das innere Gehäuse 66 bildet mit der Außenfläche 7a der Spinnkapillare eine nach au
ßen geschlossene Heizkammer 70 aus, die von einem Heizfluid durchströmt wird. Das
innere Gehäuse 66 bildet mit dem Düsenkörper 56 eine Einheit. An der Einheit Düsen
körper 56 und inneres Gehäuse 66 schließt ein äußeres Gehäuse 68 an. Dabei ragt die
Spinnkapillare 7 etwas über das innere Gehäuse 66 bzw. das äußere Gehäuse 68 hin
aus.
Das äußere Gehäuse 68 umgibt das innere Gehäuse 66 und bildet mit der Außenfläche
des inneren Gehäuses 66 eine weitere Heizkammer 72 aus, die aber im Gegensatz zur
Heizkammer 70 nach außen hin geöffnet ist. Dabei bildet die Heizkammer 72 einen
Spalt 74, der das entgegengesetzt zum Spinnkopf angeordnete Ende der Spinnkapillare
7 umgibt. Die Heizkammer 72 wird ebenfalls von einem Heizfluid durchströmt, das aus
dem Spalt austritt und im Wesentlichen parallel zur Mittenachse M strömt.
Um die Geometrie des Spaltes 74 zu ändern, ist das äußere Gehäuse 68 in Richtung
der Mittenachse M verschieblich an inneren Gehäuse 66 gehalten.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 kann für beide Kammern 70, 72 die gleiche Art
von Heizfluid verwendet werden. Hierbei handelt es sich um ein gegenüber der Spinnlö
sung inertes Gas, das auf 150°C z. B. über einen Wärmetauscher (hier nicht dargestellt)
aufgeheizt werden kann. Alternativ kann für die Kammern 70, 72 auch ein unterschied
liches Heizfluid verwendet werden. Die Heizkammer 70 bildet die Heizvorrichtung für die
Spinnkapillare 7.
Der Verteilerblock 6 und die Haltevorrichtung 60 sind als im wesentliche massive Blöcke
mit großer Masse ausgeführt und mit Heizkanälen 76, 78, 80 für Heißwasser, Heißluft,
Wärmeträgeröl, Dampf oder optional Heizstäben versehen. Aufgrund ihrer großen Mas
se und aufgrund der Wärmeisolierung unterliegen die Betriebstemperaturen des Vertei
lerblocks 6 und der Haltevorrichtung 60 nur geringen Schwankungen.
Im Folgenden wird die Funktion des erfindungsgemäßen Spinnblockes beschrieben.
Die Spinnlösung strömt durch den Verteilerblock 6 über eine Zuleitung 82, die über
Dichtungen 83 an die Spinnlösungsversorgung angeschlossen ist, in eine Beruhigungs
kammer 84 mit einer Siebscheibe oder -platte 86 mit Strömungsöffnungen 88. Die Beru
higungskammer 84 und die Siebscheibe 86 werden durch die Druckverteilerplatte 54
gebildet. In Strömungsrichtung vor der Siebscheibe 86 befindet sich eine Filtrationsein
heit 90. Die Beruhigungskammer 84, die Siebscheibe 86 und die Filtrationseinheit 90
erstrecken sich über alle Spinnkapillare 7 stattfindet.
Durch den gegenüber der Zuleitung 82 stark vergrößerten Strömungsquerschnitt der
Beruhigungskammer 84 wird die Strömungsgeschwindigkeit der Spinnlösung verringert
und die Strömung vergleichmäßigt. Die Spinnlösung strömt weiter durch die Filtrations
einheit 88 und die Öffnungen 90 der Druckverteilerplatte 54, wodurch eine weitere Ver
gleichmäßigung des Strömungs- und Druckprofils über den Strömungsquerschnitt und
eine gleichmäßige Beschickung aller Kapillaren 7 stattfindet.
Aus der Beruhigungskammer 84 strömt die Spinnlösung im Spinnkopf 8 durch die
Druckverteilungsplatte 54 in den durch den Spinndüsenkörper 56 gebildeten Verteiler
raum 56a. Im Verteilerraum 56a verringert sich der Strömungsquerschnitt allmählich in
Strömungsrichtung. Dadurch wird die Spinnlösung beschleunigt und gleichzeitig der
Strömungsquerschnitt allmählich auf den Strömungsquerschnitt der Spinnkapillare 7
verringert.
An den Verteilerraum 56a schließen sich in Strömungsrichtung der Spinnlösung die
Spinnkapillaren 7 an, die in Strömungsrichtung in den Spinnlösungsaustrittsöffnungen
94 enden. Durch die Spinnlösungsaustrittsöffnungen 94 tritt die Spinnlösung mit hoher
Geschwindigkeit bzw. einem hohen Massendurchsatz aus dem Spinnkopf aus. Ein typi
scher Massendurchsatz pro Spinnkapillare beträgt 0,03 bis 0,5 g/min. Höhere Durchsät
ze bis 1,5 g/min sind bei höheren Beheizungstemperaturen der Spinnkapillaren möglich.
Der Druck in der Spinnlösung kann bis zu 400 bar betragen.
Für den Betrieb des Spinnkopfes 8 ist es wichtig, dass die Spinnlösung bei der Durch
strömung des Spinnkopfes auf Betriebstemperatur gehalten wird. Dazu sind die oben
bereits kurz erwähnten Heizkanäle 76, 78 und 80 im Verteilerblock 6 und in der Halte
vorrichtung 60 vorgesehen.
Die Verteilerblockheizkanäle 76 sind in der Nähe der Zuleitung 82 angeordnet und hal
ten die Spinnlösung in der Zuleitung 82 auf Betriebstemperatur. Die Heizkanäle 76 wer
den von einem Heizfluid, wie heißem Wasser, Wärmeträgeröl oder Dampf durchströmt.
Der Heizkanal 78 ist im Bereich der Haltevorrichtung 60 so weit unten angeordnet, dass
er den Verteilraum 56a bereits vor Eintritt der Spinnmasse in das Kapillar 7 aufheizt.
Durch das Heizelement 78 wird ebenfalls von einem Heizfluid wie Heißluft, heißem
Wasser, Wärmeträgeröl, Dampf durchströmt.
Optional kann auch ein zweites Verteilerblockheizelement 80 vorgesehen sein, das au
ßen an dem der Spinnlösungsaustrittsöffnung 94 entgegengesetzten Abschnitt des
Spinnkopfes 8 angebracht ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dient das Verteiler
blockheizelement 80 dazu, den stromauf gelegenen Teil der Zuleitung 82 zu beheizen.
Die Heizkanäle 76, 78, 80 können an einen gemeinsamen Heizkreislauf angeschlossen
sein oder separate Heizkreisläufe bilden. Die Heizkreisläufe der Heizkanäle 76, 78, 80
können auch mit der Heizkammer verbunden sein.
Die Fibrillierungsneigung wird beim ersten Ausführungsbeispiel, vgl. Fig. 2, dadurch ver
ringert, dass die Spinnkapillare 7 im Bereich der Austrittsöffnung 94 von außen beheizt
wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Heizfluid in der Heizkammer 70 die Außenflä
che der Spinnkapillare 7 umströmt und damit die Spinnkapillare 7 direkt beheizt. Durch
die dünnwandige Ausbildung der Spinnkapillare 7 und durch die aufgrund ihrer Länge
großen Außenfläche findet ein hoher Wärmetransport vom Heizfluid über die Spinnka
pillarwand auf die Spinnlösung statt. Um eine möglichst gute Aufheizung der Spinnka
pillarwand zu erreichen, soll die Kontaktfläche des Heizfluids mit der Außenwand der
Spinnkapillare möglichst groß sein.
Da die Spinnlösung in der Spinnkapillare mit einer hohen Geschwindigkeit strömt, kann
die Temperatur des Heizfluids auch gefahrlos über der Zersetzungstemperatur der
Spinnlösung liegen: Durch die hohe Geschwindigkeit der Spinnlösung entlang der be
heizten Wand reicht die Verweildauer der Spinnlösung in der Kapillare nicht aus, dass
die Spinnlösung die Wandtemperatur der Spinnlösung erreicht.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass selbst bei Wandtemperaturen von
ca. 150°C Fasern versponnen werden konnten, die eine sehr geringe Fibrillierungsnei
gung aufweisen. Die Fibrillierungsneigung war sogar geringer und die Schlingenfestig
keit höher als bei einer Wandtemperatur von 105°C.
Durch die große Länge der Spinnkapillare ist gewährleistet, dass sich die wandnahe
Schicht der Spinnlösung erwärmt. Da sich bei den gängigen Spinnlösungen die Visko
sität mit steigender Temperatur verringert, wird so die Viskosität der Strömung der
Spinnlösung durch die Spinnkapillare 7 im wandnahen Bereich verringert. Über die gro
ße, über den gesamten Bereich beheizte Lauflänge der Spinnkapillare 7 kann sich somit
ein volleres Geschwindigkeitsprofil in der Kernströmung ausbilden.
Die Ausbildung des Geschwindigkeitsprofils entlang der Spinnkapillare 7 ist in Fig. 2
schematisch anhand von vier Geschwindigkeitsprofilen A, B, C und D erläutert. Das Ge
schwindigkeitsprofil A bildet sich kurz hinter dem Verteilerraum 56a aus und ist durch ein
schmales Maximum im Bereich der Kernströmung, in der Nähe der Mittellinie M, ge
kennzeichnet. Zu den Wänden der Spinnkapillare 7 hin fällt das Geschwindigkeitsprofil A
steil ab.
Durch die Beheizung der Spinnkapillarwand verringert sich die Viskosität der Spinnlö
sung im Wandbereich, das Geschwindigkeitsprofil vergleichmäßigt sich zunehmend und
das Geschwindkeitsmaximum wird breiter. Dies ist schematisch im Geschwindigkeits
profil B dargestellt.
In der Spinnlösungsaustrittsöffnung 94 ist die Geschwindigkeitsverteilung in der Kern
strömung nahezu konstant und fällt steil zu den Wänden hin ab. Dies ist durch das Ge
schwindigkeitsprofil C gezeigt. Der steile Abfall im Wandbereich ist aufgrund der niedri
gen Viskosität und der starken Beheizung der Spinnkapillarwand bis zur Austrittsöffnung
94 möglich.
Das Geschwindigkeitsprofil D zeigt schematisch ein Geschwindigkeitsprofil nach Austritt
der Spinnlösung aus der Austrittsöffnung 94. Das inerte Fluid aus der Kammer 72 und
die Spinnlösung aus der Austrittsöffnung 94 bilden zusammen einen breiten Strahl.
Erfindungsgemäß wirken also die gegenüber dem Durchmesser der Kapillare große
Länge und die direkte Beheizung der Kapillare zusammen und führen zu einem vorteil
haften Geschwindigkeitsprofil. Wichtig ist dabei, dass die Temperatur der Spinnkapilla
renwand über der Temperatur des Kerns der Spinnlösungsströmung in der Mitte der
Spinnkapillare liegt. Die Temperatur im Kern der Spinnlösungsströmung durch die Ka
pillare 7 entspricht in etwa der durch die Heizkanäle 76, 78, 80 eingestellten Betriebs
temperatur des Verteilerblockes 6 und der Haltevorrichtung 60 mit der darin aufgenom
menen Druckverteilerplatte 54 und dem Düsenkörper 56. Bei der Durchströmung der
Spinnkapillare bleibt die Kernströmung unbeeinflusst und ändert ihre Temperatur nicht.
Durch die geringe Wandstärke der Kapillare 7 kann zudem die Temperatur der Spinnka
pillarwand 7 genau und mit einem schnellen Ansprechverhalten gesteuert werden:
Durch die geringe Masse der Spinnkapillarwand reagiert die Wandtemperatur sofort auf Temperaturänderungen in der Heizkammer 70.
Durch die geringe Masse der Spinnkapillarwand reagiert die Wandtemperatur sofort auf Temperaturänderungen in der Heizkammer 70.
Zur gezielten Einstellung der Wandtemperatur und damit der gezielten Strömungsbeein
flussung der Strömung durch die Kapillare 7 kann eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt)
vorgesehen sein. Die Steuervorrichtung ist mit Sensoren (nicht gezeigt) verbunden, wel
che die Temperatur der Kapillarwand und/oder des Heizfluids in der Heizkammer 70, die
Strömungsgeschwindigkeit der Spinnlösung durch die Kapillare und den Betriebsdruck
in der Spinnlösung erfassen. Auf diese Weise kann ein Regelkreis aufgebaut werden,
durch den die Temperatur der Wand an sich ändernde Betriebsbedingungen selbständig
oder von außen gesteuert einstellbar ist. Somit können Schwankungen der Betriebspa
rameter ausgeglichen werden, ohne dass die Spinnqualität sich verschlechtert.
Wie Versuche gezeigt haben, kann die Fibrillierungsneigung entscheidend gesenkt wer
den, wenn die Wand der Spinnkapillare 7 auch im Bereich der Austrittsöffnung 94 be
heizt wird.
Hierzu wird beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 das Heizfluid aus der Heizkammer 72
durch den Spalt 74 an der Außenwand der Spinnkapillare 7 vorbei aus dem Spinnkopf 8
geleitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Spinnkapillare tatsächlich über ihre
ganze Länge beheizt ist und sich das über die Länge der Spinnkapillare 7 ausbildende
vollere Strömungsprofil nicht am Ende der Lauflänge aufgrund einer kälteren Wand zu
dieser Stelle zurückbilden kann.
Das Fluid strömt mit einer hohen Geschwindigkeit aus dem Spalt 74, die mindestens
gleich der Ausströmgeschwindigkeit der Spinnlösung aus der Austrittsöffnung 94 ist.
Das Fluid wirkt also auch als Transportfluid, das den Spinnlösungsstrahl mit sich reißt
und stabilisiert.
Wenn die Austrittsgeschwindigkeit des Fluids größer als die Geschwindigkeit der
Spinnlösung ist, wirkt am Rand des Spinnlösungstrahls eine Zugbeanspruchung, die
den hoch viskosen Strahl reckt.
Wie das Fluid in der Heizkammer 70 kann auch das Fluid in der Heizkammer 72 Teil
eines Regelungskreises für die Wandtemperatur der Spinnkapillare 7 sein. Hierzu kann,
wie oben beschrieben, eine Vielzahl von Sensoren zur Erfassung der Betriebsparameter
der Spinnanlage sowie Sensoren zur Erfassung der Temperatur der Spinnkapillarwand
und des Heizfluids vorgesehen sein. Die Signale dieser Sensoren werden einer Tempe
ratursteuereinrichtung zugeführt, durch welche die Temperatur des Heizfluids in der
Heizkammer 70 geregelt wird.
Durch die Unterteilung in zwei Heizkammern 70, 72 sind die Temperaturen der beiden
Heizfluide dieser Kammern unterschiedlich einstellbar. Es hat sich dabei als günstig er
wiesen, wenn die Spinnkapillarwand nahe der Austrittsöffnung 94 auf einer höheren
Wandtemperatur gehalten wird als der mittlere Bereich der Spinnkapillare. Durch diese
Maßnahme kann die oben beschriebene Strangaufweitung unterdrückt werden.
Durch eine Unterteilung der Kammer 70 in weitere voneinander unabhängige Heizkam
mern kann in einer weiteren Ausgestaltung der Temperaturverlauf entlang der Spinnka
pillare, speziell bei großer Kapillarlänge, in Strömungsrichtung der Spinnlösung noch
genauer gesteuert werden. Jede dieser Kammern kann mit eigenen Sensoren versehen
sein.
Im Folgenden wird unter Bezug auf Fig. 3 der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels
erläutert.
Dabei wird nur auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Gleiche Bauteile oder ähnliche Bauteile mit gleicher Funktion wie beim ersten Ausfüh
rungsbeispiel sind dabei in Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich im Wesentlichen durch
den Aufbau der Heizkammer 70: Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 weist im Bereich
der Spinnkapillare nur eine einzelne Heizkammer 70 auf, die bis zur Austrittsöffnung 94
der einzelnen Spinnkapillare 7 reicht und den Spalt 74 bildet. Jedes Spinnkapillar 7 kann
eine eigene Heizkammer 70 aufweisen, es können aber auch mehrere Spinnkapillaren 7
in einer Heizkammer 70 zusammengefasst sein. Eine zweite Kammer 72 und ein zwei
tes Gehäuse 68 sind nicht vorhanden.
Die Heizkammer 70 weist bei der Ausführung nach Fig. 3 ein Rohr 100 in kreisrunder
oder ovaler Ausführung auf, das die Außenflächen der Spinnkapillaren umgibt und einen
Ringraum 102 zwischen Spinnkapillare 7 und Gehäuse 66 bildet. Der Ringraum 102
öffnet sich als Ringspalt 74.
Das Heizfluid im Ringraum 102 beheizt die gesamte Außenwand der Spinnkapillare 7
bis zur Austrittsöffnung 94. Das Heizfluid ist somit Teil einer Heizvorrichtung, die direkt
auf die Spinnkapillarwand einwirkt und zur gezielten Steuerung der Wandtemperatur
verwendet werden kann.
Das Rohr 100 ist aus einem Präzisionsstahlrohr gefertigt.
Das Heizfluid strömt aus dem Ringraum 102 parallel und koaxial zum Spinnlösungsstrahl
aus der Spinnlösungsaustrittsöffnung aus. Dadurch kann eine ruhige Führung des
Spinnlösungsstrahls erreicht werden.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 4 das dritte Ausführungsbeispiel des erfin
dungsgemäßen Spinnkopfes erläutert.
Dabei wird nur auf die Unterschiede zum zweiten Ausführungsbeispiel eingegangen. Für
Bauteile des dritten Ausführungsbeispiels, die gleich denen des zweiten Ausführungs
beispiels sind und/oder eine gleiche Funktion aufweisen, werden dabei in Fig. 4 die glei
chen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 unterscheidet sich vom zweiten Ausführungsbeispiel
dadurch, dass der vom Gehäuse 66 gebildete Spalt 74 nicht ring- sondern spaltförmig
ist. Das Gehäuse 66 kann einteilig ausgebildet sein, oder aber zwei senkrecht zur Mit
tenlinie M verschiebliche Backen 104a, 104b aufweisen. Durch Verschieben der Backen
in der in Fig. 4 gezeigten Pfeilrichtung kann die Breite des Spaltes 74 eingestellt werden.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 5 das vierte Ausführungsbeispiel des erfin
dungsgemäßen Spinnkopfes erläutert.
Dabei wird nur auf die Unterschiede zum zweiten Ausführungsbeispiel eingegangen. Für
Bauteile des vierten Ausführungsbeispiels, die gleich denen des zweiten Ausführungs
beispiels sind und/oder eine gleiche Funktion aufweisen, werden dabei in Fig. 4 die glei
chen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.
Beim Spinnkopf gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist keine Heizkammer mehr
vorgesehen. Eine Beheizung der Spinnkapillare findet nicht mehr über ein Heizfluid,
sondern über einen elektrischen Heizmantel 110 statt, der Teil der Heizvorrichtung des
Spinnkopfes ist.
Der Heizmantel 110 kann auch Teil eines Regelkreises zur Temperaturregelung der
Spinnkapillarwand sein, wie er oben beschrieben wurde.
Um eine genaue Steuerung des Temperaturprofils entlang der Länge der Spinnkapillare
zu erreichen, kann der Heizmantel in mehrere unabhängig voneinander arbeitende
Heizmantelsegmente unterteilt sein.
Claims (45)
1. Verfahren zum Verspinnen einer Spinnlösung aus einem Gemisch von Cellulose,
Wasser und tertiärem Aminoxid, bei dem die Spinnlösung mindestens einem Spinn
kopf zugeführt und im Spinnkopf durch mindestens eine Spinnkapillare geleitet wird,
die an ihrem stromab gelegenen Ende mit einer Spinnlösungsaustrittsöffnung verse
hen ist, aus der die Spinnlösung aus dem Spinnkopf austritt, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Wand der Spinnkapillare (7) nahe der Spinnlösungsaustrittsöff
nung (94) zumindest abschnittsweise auf eine Temperatur beheizt wird, die größer
als die Kerntemperatur der Spinnlösung in der Spinnkapillare ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der Spinn
kapillare durch eine Heizvorrichtung (70, 72) direkt beheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandtem
peratur der Spinnkapillare (7) durch eine Temperatursteuereinrichtung auf einen ein
stellbaren Wert geregelt wird.
4. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandtemperatur der Spinnkapillare (7) in Abhängigkeit vom Massendurch
satz der Spinnlösung durch die Spinnkapillare (7) geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandtemperatur der Spinnkapillare (7) in Abhängigkeit vom Spinndruck in
der Spinnlösung, vorzugsweise vom Spinndruck der Spinnlösung in der Spinnkapilla
re (7), geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Beheizung der Spinnkapillarwand im Betrieb ein vorbestimmtes Tem
peraturprofil über den Strömungsquerschnitt der Spinnkapillare (7) eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Beheizung der Spinnkapillarwand im Betrieb ein vorbestimmtes Tem
peraturprofil der Spinnkapillarwand in Strömungsrichtung der Spinnlösung eingestellt
wird.
8. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spinnkapillarwand durch ein Heizfluid beheizt wird, das die Wand der
Spinnkapillare außen umspült.
9. Spinnkopf zum Verspinnen einer durch den Spinnkopf strömenden Spinnlösung aus
einem Gemisch von Cellulose, Wasser und tertiärem Aminoxid, mit mindestens einer
Spinnkapillare, die an ihrem stromab gelegenen Ende eine Spinnlösungsaustrittsöff
nung aufweist, wobei die Spinnlösung durch die Spinnlösungsaustrittsöffnung aus
dem Spinnkopf austritt, und mit einer temperaturgesteuerten Heizvorrichtung, die auf
die Spinnlösung einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Spinn
kopfes (8) die durch die Heizvorrichtung (70, 72) erzeugte Wandtemperatur der
Spinnkapillare (7) in einem Bereich nahe der Spinnlösungsaustrittsöffnung (94) grö
ßer als die Kerntemperatur der Spinnlösung ist.
10. Spinnkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der durch die
Heizvorrichtung (70, 72) beheizte Bereich der Spinnkapillarwand, dessen Tempera
tur höher als die Kerntemperatur der Spinnlösung ist, im Wesentlichen bis an die
Spinnlösungsaustrittsöffnung (94) erstreckt.
11. Spinnkopf nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der durch
die Heizvorrichtung (70, 72) beheizte Bereich der Spinnkapillarwand, dessen Tempe
ratur höher als die Kerntemperatur der Spinnlösung ist, im Wesentlichen über die
gesamte Länge der Spinnkapillare (7) erstreckt.
12. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
Spinnkapillare (7) als Spinnkapillarrohr in Form einer im Wesentlichen dünnwandi
gen Röhre ausgebildet ist, und dass die Heizvorrichtung (70, 72) direkt auf den
Wandbereich der Spinnkapillarröhre nahe der Spinnlösungsaustrittsöffnung (94)
einwirkt.
13. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Steuereinheit vorgesehen ist, die auf die Heizvorrichtung (70, 72) einwirkt und durch
welche die Temperatur des direkt beheizten Wandbereichs der Spinnkapillarröhre (7)
zumindest abschnittsweise regelbar ist.
14. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Heizvorrichtung (70, 72) ein Heizfluid umfasst, das die Spinnkapillarröhre (7) zumin
dest abschnittsweise umgibt.
15. Spinnkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfluid der
Heizvorrichtung (70, 72) die Spinnkapillarröhre (7) zumindest abschnittsweise um
spült.
16. Spinnkopf nach einem Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Spinnlösungsaustrittsöffnung (94) der Spinnkapillarröhre (7) zumindest abschnitts
weise von einer Spaltöffnung (74) umgeben ist, aus der im Betrieb ein Transportfluid
im Wesentlichen in Richtung der aus der Spinnlösungsaustrittsöffnung (94) austre
tenden Spinnlösung strömt.
17. Spinnkopf nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit
des im Betrieb aus der Spaltöffnung (74) austretenden Transportfluids im Wesentli
chen zumindest der Geschwindigkeit der aus der Spinnlösungsaustrittsöffnung (94)
austretenden Spinnlösung entspricht.
18. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die
Spinnkapillarröhre (7) nahe der Spinnlösungsaustrittsöffnung von einer Heizfluid ent
haltenden Heizkammer (70, 72) umgeben ist.
19. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die
Heizkammer (72) mit der Spaltöffnung (74) verbunden ist.
20. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizfluid als Transportfluid dient und von der Heizkammer (72) durch die Spalt
öffnung (74) geleitet ist.
21. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass
sich zwischen der Heizkammer (70) und der Spaltöffnung (74) ein Ringraum (102)
erstreckt, der die Kapillarröhre (7) außen im Wesentlichen über ihre gesamte Länge
umgibt.
22. Spinnkopf nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (102)
einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweist.
23. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die
Länge der Spinnkapillare (7) das 20-fache bis 150-fache ihres Durchmessers be
trägt.
24. Spinnkopf nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge die von
der Spinnlösung durchströmte Länge und/oder der Durchmesser der Innendurch
messer der Spinnkapillare (7) ist.
25. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der
Austrittsquerschnitt (94) kreisförmig ist.
26. Spinnkopf nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquer
schnitt (94) einen Durchmesser von weniger als 500 µm, vorzugsweise weniger als
250 µm aufweist.
27. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wandstärke der Spinnkapillarröhre (7) weniger als 200 µm, vorzugsweise weniger
als 150 µm beträgt.
28. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperatur des Heizfluids in der Heizkammer (70, 72) mindestens 100°C, vorzugs
weise um 150°C, beträgt.
29. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperatur des Heizfluids in der Heizkammer (70, 72) 50°C bis 150°C beträgt.
30. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperatur des Heizfluids in der Heizkammer (70, 72) 80°C bis 150°C beträgt.
31. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperatur des Heizfluids in der Heizkammer (70, 72) 100°C bis 150°C beträgt.
32. Spinnkopf nach einem Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperatur des Heizfluids in der Heizkammer (70, 72) 50°C bis 180°C beträgt.
33. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass zu
mindest ein Temperatursensor zur Erfassung der Kapillarwandtemperatur und/oder
der Spinnlösungstemperatur im Kapillarwandbereich vorgesehen ist, durch den die
Kapillarwandtemperatur in Form eines elektrischen Signals an die Steuervorrichtung
ausgebbar ist.
34. Spinnkopf nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursen
sor als elektrisches Widerstandselement ausgebildet ist.
35. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass zu
mindest ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Heizfluids vorge
sehen ist, durch den die Temperatur des Heizfluids in Form eines elektrischen Sig
nals an die Steuervorrichtung ausgebbar ist.
36. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der
Spalt (74) durch ein quer zur Längsachse der Spinnkapillare zumindest abschnitts
weise bewegliches Gehäuse (100; 104a, 104b) gebildet und der Strömungsquer
schnitt des Spaltes (74) veränderbar ist.
37. Spinnkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die
Spinnkapillare von mindestens einem elektrischem Heizelement umgeben ist.
38. Spinnanlage mit einem Druckausgleichsbehälter, der eine Spinnlösung aus Cellulo
se, Wasser und einem tertiären Aminoxid sowie einen oder mehrere Stabilisatoren
enthält, mit einem Spinnkopf oder mehreren Spinnköpfen, durch den oder durch wel
che die Spinnlösung zu Formköpern verspinnbar ist, und mit einer Spinnlösungslei
tung, durch welche die Spinnlösung vom Druckausgleichsbehälter zu dem Spinnkopf
oder den Spinnköpfen geleitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spinnkopf (8)
nach einem der Ansprüche 9 bis 37 ausgebildet ist und/oder dass die Spinnanlage
(1) zur Durchführung des Verfahrens nach einer der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet
ist.
39. Spinnanlage nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnanlage
nach dem Spinnkopf (8) oder den Spinnköpfen (8) einen Luftspalt (10) aufweist, in
den die Spinnlösung nach dem Austritt aus der Spinnlösungsaustrittsöffnung (94)
strömt und in dem sie verzogen wird.
40. Spinnanlage nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinn
anlage (1) stromab des Luftspaltes (10) ein Fällbad (11) aufweist, in das die vom
Spinnkopf (8) herausströmende Spinnlösung nach Durchquerung des Luftspaltes
und Verzuges zu Formkörper (10) eintaucht.
41. Spinnanlage nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abzugsvorrichtung (12) vorgesehen ist, durch welche die Spinnlösung als ge
fällter Faden oder Formkörper aus dem Fällbad abziehbar ist.
42. Produkt, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
das Endprodukt ein Filament ist.
43. Produkt, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
das Endprodukt eine Stapelfaser ist.
44. Produkt, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
das Endprodukt ein Spinnvlies ist.
45. Produkt, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
das Endprodukt eine Folie ist.
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